孫經(jīng)偉　孫緯偉　許崇

摘要： 該文基于工大高科鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)，在傳統(tǒng)軌道電路設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了一種改進的二取二交流連續(xù)式軌道電路設(shè)計方法，通過對其特征、設(shè)計步驟以及工作原理的論述，并列舉了應(yīng)用實例，證明了該方案的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：軌道電路；二取二；聯(lián)鎖系統(tǒng)；交流連續(xù)式

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0853-03

軌道電路是鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)軌道電路在靈敏度與防雷性能等方面存在著很多缺點，該文在傳統(tǒng)軌道電路設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了一種新型的二取二的交流連續(xù)式軌道電路，這種新型的阻抗調(diào)整電路模擬傳統(tǒng)的480繼電器阻抗特征，保證了與傳統(tǒng)的交流連續(xù)式軌道電路的兼容性；采用二取二結(jié)構(gòu)，具有兩個獨立且隔離的運算通道，提高分路靈敏度的檢測水平；本實用新型可以取代傳統(tǒng)的480繼電器，有效提高軌道電路的防雷性和安全性。

1 背景

軌道電路是以一段鐵路線路的鋼軌為導(dǎo)體構(gòu)成的電路，用于自動、連續(xù)檢測這段線路是否被機車車輛占用，也用于控制信號裝置或轉(zhuǎn)轍裝置，以保證行車安全的設(shè)備。軌道電路范圍內(nèi)，無輪對占用時的狀態(tài)稱為軌道電路調(diào)整狀態(tài)，有輪對占用時的狀態(tài)稱為軌道電路的分路狀態(tài)。

傳統(tǒng)的交流連續(xù)式軌道電路采用480軌道電路，如圖1所示，480軌道電路一般采用干線供電方式，即由信號樓內(nèi)引出一對或兩對供電干線（使用電纜芯線），向各軌道電路區(qū)段的送電端軌道電源變壓器BG1-50供電，軌道繼電器GJ采用JZXC-480型繼電器，設(shè)在信號樓內(nèi)，通過電纜與受電端的電纜盒（中繼變壓器）BZ4相連。該480軌道電路存在著分路靈敏度低、防雷性能差等缺點，并且不能避免共模干擾，影響了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)以及列車運行的安全性。

本設(shè)計的目的在于提供一種二取二的交流連續(xù)式軌道電路，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2 電路特征

1）二取二的交流連續(xù)式軌道電路，其特征包括：

阻抗調(diào)整電路，用于模擬傳統(tǒng)的480繼電器阻抗特征；以及分別與所述阻抗調(diào)整電路的輸出端連接的第一運算單元和第二運算單元；

第一運算單元包括第一隔離器、第一電壓調(diào)整電路、第一AD轉(zhuǎn)換器和第一CPU；

第二運算單元包括第二隔離器、第二電壓調(diào)整電路、第二AD轉(zhuǎn)換器和第二CPU；

阻抗調(diào)整電路的輸出端依次通過第一隔離器、第一電壓調(diào)整電路和第一AD轉(zhuǎn)換器與第一CPU的輸入端連接，依次通過第二隔離器、第二電壓調(diào)整電路和第二AD轉(zhuǎn)換器與第二CPU的輸入端連接；

第一CPU與第二CPU通過第三隔離器交互連接。

2）二取二的交流連續(xù)式軌道電路，其特征在于，第一運算單元還包括第一自檢電路，第一自檢電路用于在第一CPU的控制下切短第一電壓調(diào)整電路的輸入；

第二運算單元還包括第二自檢電路，第二自檢電路用于在第二CPU的控制下切短第二電壓調(diào)整電路的輸入。

第一隔離器具體為電流型隔離變壓器，第二隔離器具體為電壓型隔離變壓器。

第一電壓調(diào)整電路和第二電壓調(diào)整電路具體為兩個種類相同而型號不同的集成運算放大器。

第一自檢電路和第二自檢電路具體為低導(dǎo)通阻抗N型MOS管。

第三隔離器具體為數(shù)字隔離器或者光耦。

3 工作原理

軌道電壓由電纜盒升壓，經(jīng)保險絲F1防護通過阻抗調(diào)整電路1輸入第一隔離器21和第二隔離器22；第一隔離器21采用電流型隔離變壓器，以電流耦合的方式將軌道電壓傳輸至第一電壓調(diào)整電路41，第二隔離器22采用電壓型隔離變壓器，以電壓耦合的方式將軌道電壓傳輸至第二電壓調(diào)整電路42；第一電壓調(diào)整電路41和第二電壓調(diào)整電路42采用集成運算放大器，分別對輸入其中的軌道電壓進行調(diào)整，將軌道電壓調(diào)節(jié)到AD轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍，輸出脈動直流信號；第一AD轉(zhuǎn)換器51對第一電壓調(diào)整電路41的輸出信號進行采樣并轉(zhuǎn)換后傳輸至第一CPU61，第二AD轉(zhuǎn)換器52對第二電壓調(diào)整電路42的輸出信號進行采樣并轉(zhuǎn)換后傳輸至第二CPU62；第一CPU61和第二CPU62分別對各自接收到的軌道電壓信號進行運算，若軌道電壓的數(shù)值高于預(yù)設(shè)的閾值，則判定為軌道調(diào)整狀態(tài)，若軌道電壓的數(shù)值低于預(yù)設(shè)的閾值，則判定為軌道分路狀態(tài)；第一CPU61和第二CPU62分別將各自的判定結(jié)果通過第三隔離器7交換比較，若判定結(jié)果一致，則將判定結(jié)果上報至聯(lián)鎖系統(tǒng)，若判定結(jié)果不一致，則上報故障并輸出導(dǎo)向安全測；第一自檢電路31和第二自檢電路32采用低導(dǎo)通阻抗N型MOS管，第一CPU61通過第一自檢電路31定時切短第一電壓調(diào)整電路41的輸入信號，第二CPU62通過第二自檢電路32定時切短第二電壓調(diào)整電路42的輸入信號，分別判斷第一電壓調(diào)整電路41和第二電壓調(diào)整電路42是否處于正常的工作狀態(tài)，保證對低壓的可靠檢測。

本設(shè)計采用二取二結(jié)構(gòu)，將一路輸入軌道電壓轉(zhuǎn)換為兩路輸出，分別送至兩個微處理器，任意單個元器件的任意故障模式都不會導(dǎo)致微處理器輸出導(dǎo)向危險側(cè)。此外，兩個微處理器CPU對各自接收到的軌道電壓信號的波形分析比較后，可初步判斷前級電路中隔離器的失效模式，提高電路故障定位和維修效率。對于兩個及兩個以上元器件同時故障，根據(jù)EN50126和IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，計算得到的失效率遠小于歐標(biāo)中對鐵路安全完整性等級4的要求，即該電路符合歐標(biāo)中最高安全完整性等級要求。

具體考慮的元器件故障模式包括：1）電阻：短路、短路、阻值隨機變化；2）隔離變壓器：單邊線圈斷路、輸入/輸出端短路、初級和次級線圈短路、有效匝比變化；3）集成運算放大器：輸入端短路、輸入端開路、輸出寄生震蕩、固有失效等；4）電容：短路、短路、容值隨機變化；5）NMOS管：任意兩極間短路、任意兩極間斷路、導(dǎo)通電壓變化。

一種二取二的交流連續(xù)式軌道電路，包括：阻抗調(diào)整電路，用于模擬傳統(tǒng)的480繼電器阻抗特征；以及分別與所述阻抗調(diào)整電路的輸出端連接的第一運算單元和第二運算單元；第一運算單元包括第一隔離器、第一電壓調(diào)整電路、第一AD轉(zhuǎn)換器和第一CPU；所述第二運算單元包括第二隔離器、第二電壓調(diào)整電路、第二AD轉(zhuǎn)換器和第二CPU；阻抗調(diào)整電路的輸出端依次通過第一隔離器、第一電壓調(diào)整電路和第一AD轉(zhuǎn)換器與第一CPU的輸入端連接，依次通過第二隔離器、第二電壓調(diào)整電路和第二AD轉(zhuǎn)換器與第二CPU的輸入端連接；所述第一CPU與第二CPU通過第三隔離器交互連接。

第一運算單元還包括第一自檢電路，所述第一自檢電路用于在第一CPU的控制下切短第一電壓調(diào)整電路的輸入；第二運算單元還包括第二自檢電路，第二自檢電路用于在第二CPU的控制下切短第二電壓調(diào)整電路的輸入。

二取二的交流連續(xù)式軌道電路，第一隔離器具體為電流型隔離變壓器，第二隔離器具體為電壓型隔離變壓器。

第一電壓調(diào)整電路和第二電壓調(diào)整電路具體為兩個種類相同而型號不同的集成運算放大器。

二取二的交流連續(xù)式軌道電路，第一自檢電路和第二自檢電路具體為低導(dǎo)通阻抗N型MOS管。

二取二的交流連續(xù)式軌道電路，第三隔離器具體為數(shù)字隔離器或者光耦。

本設(shè)計的阻抗調(diào)整電路模擬傳統(tǒng)的480繼電器阻抗特征，設(shè)計阻抗為480歐，保證了與傳統(tǒng)的交流連續(xù)式軌道電路的兼容性；采用二取二結(jié)構(gòu)，具有兩個獨立且隔離的運算通道，提高分路靈敏度的檢測水平；本實用新型可以取代傳統(tǒng)的480繼電器，有效提高軌道電路的防雷性和安全性。

兩個隔離器分別采用電流型隔離變壓器和電壓型隔離變壓器設(shè)計，提高了電路抗共模干擾的能力，同時也提高了級間隔離度。

兩個電壓調(diào)整電路采用具有相同功能而性能不同的集成運算放大器，使電壓范圍滿足AD轉(zhuǎn)換器電壓采樣要求，提高了電路抗共模干擾能力。

通過設(shè)計自檢電路，可定時對電壓調(diào)整電路的工作狀態(tài)進行自檢，提高了電路的安全性。

4 實例說明

如圖2所示，一種二取二的交流連續(xù)式軌道電路，包括阻抗調(diào)整電路1，第一隔離器21、第二隔離器22、第一自檢電路31、第二自檢電路32、第一電壓調(diào)整電路41、第二電壓調(diào)整電路42、第一AD轉(zhuǎn)換器51、第二AD轉(zhuǎn)換器52、第一CPU61、第二CPU62和第三隔離器7。第一隔離器21、第一自檢電路31、第一電壓調(diào)整電路41、第一AD轉(zhuǎn)換器51和第一CPU61構(gòu)成第一運算通道，第二隔離器22、第二自檢電路32、第二電壓調(diào)整電路42、第二AD轉(zhuǎn)換器52、第二CPU62構(gòu)成第二運算通道，兩個運算通道之間獨立且隔離。

阻抗調(diào)整電路1的輸出端依次通過第一隔離器21、第一自檢電路31、第一電壓調(diào)整電路41和第一AD轉(zhuǎn)換器51與第一CPU61的輸入端連接，阻抗調(diào)整電路1的輸出端依次通過第二隔離器22、第二自檢電路32、第二電壓調(diào)整電路42和第二AD轉(zhuǎn)換器52與第二CPU62的輸入端連接。第一CPU61與第二CPU62通過第三隔離器7交互連接。第一自檢電路31設(shè)置在第一電壓調(diào)整電路41的輸入端，在第一CPU61的控制下切短第一電壓調(diào)整電路41的輸入；第二自檢電路32設(shè)置在第二電壓調(diào)整電路42的輸入端，在第二CPU62的控制下切短第二電壓調(diào)整電路42的輸入。

阻抗調(diào)整電路1等效輸入阻抗480歐，模擬傳統(tǒng)的交流連續(xù)式軌道電路接收端JZXC-480繼電器阻抗特征。第一隔離器21采用電流型隔離變壓器，第二隔離器22采用電壓型隔離變壓器，采用兩種不同工作模式的隔離器可以提高電路抗共模干擾的能力。第一電壓調(diào)整電路41和第二電壓調(diào)整電路42采用兩個功能相同而性能不同的集成運算放大器，具體如通用型運算放大器、高阻型運算放大器、低溫漂型運算放大器、高速型運算放大器、低功耗型運算放大器等同類運算放大器中不同型號的運算放大器，運算放大器正端接地，輸出脈動直流信號。第一自檢電路31和第二自檢電路32采用低導(dǎo)通阻抗N型MOS管。用于第一CPU61和第二CPU62交換數(shù)據(jù)的第三隔離器7采用數(shù)字隔離器或者光耦。第一CPU61和第二CPU62包括單片機、含有AD轉(zhuǎn)換的單片機、DSP處理器以及含有AD轉(zhuǎn)換的DSP處理器等。

圖3中的電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成阻抗調(diào)整電路1，變壓器T1及其外圍電路構(gòu)成第一隔離器21，變壓器T2及其外圍電路構(gòu)成第二隔離器22，MOS管Q1及其外圍電路構(gòu)成第一自檢電路31，MOS管Q2及其外圍電路構(gòu)成第二自檢電路32，負反饋運算放大器U1及其外圍電路構(gòu)成第一電壓調(diào)整電路41，負反饋運算放大器U2及其外圍電路構(gòu)成第二電壓調(diào)整電路42。

5 結(jié)束語

二取二交流連續(xù)式軌道電路作為一種新型的軌道電路，與傳統(tǒng)軌道電路相比有更高的安全性與可靠性，該文對新型軌道電路做了詳細深入的論述與研究，并通過設(shè)計實例說明了該方案的可行性與正確性，該方案對提高系統(tǒng)安全性具有積極的意義。

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